Diseño y Construcción de Pozos de Agua

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA LICENCIATURA EN INGENIERIA ELECTROMECÁNICA

Tarea # 4

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS DE AGUA

TURBOMAQUINARIAS 1IE251

I SEMESTRE

Realizado por:

 Adriano Deago

6-713-852

Entregado el 20 de mayo de 2013.

DISEÑO FISICO DE POZOS El diseño de los pozos tubulares o tajo abierto están sustentadas en el conocimiento de las características hidrodinámicas del acuífero sobre el cual se construirá un pozo que  permita prever de agua en términos económicamente rentables. Por consiguiente la decisión de perforar un pozo estará sujeto a los resultados obtenido en el estudio hidrogeológico, prueba de pozo, análisis de las características del material encontrado durante la perforación, análisis de la calidad de agua y finalmente el caudal máximo  permisible

a

explotarse

mediante

el

pozo

sin

que

altere

la

condiciones

medioambientales del acuífero y de su entorno. Los factores a tomarse en cuenta para el diseño de pozo son: 

Diámetro y longitud de la entubación ciega



Diámetro y profundidad de la perforación

 

 Necesidad o no de prefiltro de grava. Diseño del mismo Diseño de la rejilla o filtro

Diámetro del Pozo: El diámetro a diseñar incluye dos sectores: el sector superior que alojará a la bomba y el sector inferior, por debajo del máximo nivel dinámico o nivel de bombeo o debajo de la máxima longitud de la bomba.

Es decir que el gasto necesario del pozo y su capacidad específica más un cierto margen de seguridad por menor eficiencia del pozo, eventuales interferencias, o bombeo continuo, definen la máxima profundidad de la bomba a instalar. Si se conoce el tiempo y características de la bomba a instalar puede entonces conocerse el diámetro exterior del cuerpo de bomba o tazones. Luego, el diámetro mínimo interior de la entubación pasa a dos pulgadas (2") adicionales y el diámetro máximo económico de cuatro pulgadas (4") más que el diámetro exterior de los tazones. Cuando no se ha definido previamente la marca de la bomba, debe operarse dentro de ciertos límites ya conocidos para distintas bombas, a fin de permitir su instalación y funcionamiento sin problemas.

En la Cuadro No.8.1, se muestra las relaciones entre diámetro de pozos y diámetros para  bombas de turbina vertical o de motor sumergido. (Se emplean medidas de diámetros en  pulgadas por ser las de uso más común en pozos y bombas).

Cuadro No.8.1 DIAMETROS DE POZOS RECOMENDADOS (Según E. E. Johnson, 1966) Rendimiento del pozo Previsto (l/s)

Diámetro Nominal de la bomba (")

Menos de 6 5 a 11 10 a 25 22 a 41 40 a 57 53 a 82 75 a 114 100 a 190

4 5 6 8 10 12 14 16

Diámetro óptimo de la entubación (")

6 DI 8 DI 10 DI 12 DI 14 DI 16 DI 20 DI 24 DI

Diámetro mínimo de la entubación (") 5 DI 6 DI 8 DI 10 DI 12 DI 14 DE 16 DE 20 DE

DI = Di ámetro I ntern o; D E = D iámetro Ex terno

En el sector de entubación por debajo del nivel dinámico máximo estimado puede reducirse el diámetro, tanto de la entubación como del filtro (rejilla), pero teniendo en cuenta que ello trae aparejado una cierta reducción de caudal para la misma depresión, lo que significa mayor depresión para el mismo caudal.

Diámetro del pozo a perforar Para revestimiento con lodo de cemento en el sector superior, se acostumbra incrementar como mínimo 50 mm (2") respecto del diámetro exterior de la entubación. Para pozos que se utilizarán en el abastecimiento poblacional e industrial el incremento es de 100 mm (4").

Diseño de la Rejilla La rejilla es un elemento de importancia en el diseño de un pozo sus características guardan una estrecha relación con los parámetros hidráulicos del acuífero.

En los pozos que captan agua de acuíferos no consolidados se requiere un filtro de características variables a determinar que satisfaga los requerimientos de: i) sirva como estructura soporte de la formación acuífera; ii) impida el paso de arena; iii) permita la circulación del agua hacia el pozo a baja velocidad y con la máxima capacidad específica.

En los acuíferos consolidados, rocosos, el pozo perforado deja caras libres a las grietas,  por donde fluye el agua; no se requiere estructura filtrante.

Características de la rejilla Un filtro o rejilla se define por las siguientes características técnicas: 

material de fabricación del tubo;



dimensiones del tubo:





o

diámetro

o

longitud

abertura de la rejilla o

área libre

o

tipo de abertura

o

tamaño de abertura

 prefiltro de grava Cuadro No.8-2 MATERIAL DE FILTROS INDICES DE COSTOS Y USOS

Metal o aleación

Composición

Indice de Costo

Recomendación de uso según composición y empleo del agua

Acero

99.3/99.7 % Fe; 0.08/0.15

Para aguas que no son corrosivas ni incrustantes 100

C; 0.20/0.50 Mn (Galvanizado) Hierro "ARMCO"

99.8 % Fe (doblemente galvanizado)

120

Laton Cobreado Silicico

83 % Cu 15 % Zi 1 % Sio2

180

Acero Inoxidable

74 % acero 18 % Cr 8 % Ni

200

96 % Cu 3 % Sio2 1 % Mn

200

"Everdur" Johnson

Para aguas relativamente neutras. Se usa para irrigación Para aguas de alta dureza, alto contenido en cloruro de sodio y hierro. Resistente al tratamiento con ácido. Empleado en pozos municipales e industriales Para aguas con sulfuro de hidrógeno, oxígeno disuelto, dióxido de carbono o bacterias ferruginosas. Para pozos municipales e industriales Para agua con dureza total muy alta y mucho cloruro de sodio (sin O 2), mucho Fe. Resistente al tratamiento con ácido. Para pozos municipales e industriales

Super Niquel

70 % Cu 30 % Ni

240

Agua con mucho cloruro de sodio. No se usa en  pozos para agua potable.

Monel

70 % Cu 30 % Ni

300

Agua salada; gran cantidad de cloruro de sodio con oxígeno disuelto. No se usa en pozos para agua potable.

El metal de la Rejilla esencialmente depende de: 

Composición química del agua



Presencia de limos bacterianos



 Necesidades de resistencia a la compresión por las paredes del acuífero al bombear o por el peso de la otra tubería y esfuerzos de tracción al colocarlo o extraerlo para mantenimiento.

El metal ha de ser resistente a agentes incrustantes, bacterias que atacan el hierro y ácidos usados para limpieza y desinfección. Además se debe tener en cuenta aspectos relacionados al desarrollo del pozo,  prefiriendo siempre un desarrollo natural a un artificial aspecto de protección sanitaria del pozo, en cuanto a evitar su contaminación y considerar la desinfección del mismo y aspectos relacionados al control y vigilancia o supervisión de la obra de modo de cumplir una eficiente captación.

Ubicación y longitud del filtro (rejilla) La ubicación y longitud óptima del filtro o rejilla se decide en relación con el espesor del acuífero, abatimiento estimado y estratificación del acuífero. En Cuadro No.8-4 y Fig No. 8-1, se esquematizan las reglas aconsejables.

En un acuífero libre se obtiene el mayor rendimiento y la instalación más económica de un filtro para el tercio inferior del acuífero.

En acuíferos heterogéneos, confinados o libres, cuando el estrato menos permeable está superpuesto al más permeable, conviene prolongar el filtro de menor abertura dentro del acuífero más permeable para evitar producción de arena por corrimiento del estrato de menor granulometría.

En acuíferos confinados homogéneos de poco espesor se puede ubicar un fi ltro en forma centrada que cubra el 50 al 80 % del espesor del acuífero para este caso se obtiene el mayor rendimiento hidráulico y económico.

Diámetro y longitud de la entubación ciega Se llama también tubería forro, tiene como propósito el de servir de soporte a las  paredes del pozo. Generalmente en este tramo va colocada la bomba, otra función que

cumplir es el sellado de capas acuíferas. Para determinar el diámetro de la tubería ciega existen Cuadros en función del gasto esperado. La longitud de la tubería ciega, viene dado por el tipo de acuífero y la profundidad de los estratos permeables. En el diseño de la tubería forro se deberá tener en cuenta la resistencia del material a la compresión, que puede originar las paredes del hueco por derrumbes y otras causas.

Diámetro y profundidad de la perforación Este viene dado por el diámetro de la tubería ciega que se piensa instalar, así mismo influye el método de perforación utilizado y el destino o uso que se le va a dar al agua extraída del pozo. Se considera un incremento de 5 cm. como incremento de radio si se trata de pozos para riego, para el caso de abastecimiento poblacional el incremento de radio es de 10 cm.

El diámetro puede ser variable o igual para toda la profundidad cuando el diámetro es variable en los estratos superiores es mayor o menor hacia el fondo.

Necesidad o No de Prefiltro El diseño del prefiltro de grava se establece sobre la base de la información granulométrica de los materiales recopilados durante la perforación.

Existen siete tipos de construcción de pozos : 

Pozos excavados (anulares)



Pozos perforados



Pozos hincados / pilotados



Pozos de disolución



Perforación por percusión



Método de rotación hidráulica



Método de rotación neumática

Los primeros cuatro métodos son limitados a pocas profundidades y son empleados en la construcción de pozos domésticos. El método de rotación hidráulica es usualmente empleado en la construcción de pozos municipales e industriales en acuíferos de roca consolidada.

Pozos Excavados (Anulares):   Un pozo anulares se construyen con palas y picos en zonas rurales. Tienen una efectividad razonable en materiales granulares finos.

Pozos Perforados: Son construidos con barrenos o “augers” de forma manual o con maquinaria. Estos pozos son relativamente efectivos en materiales de baja conductividad hidráulica y en áreas con capas finas de limo y arcilla.

Pozos Hincados / Pilotados:  Los pozos pilotados son construidos por el hincado de una tubería en un punto con una rejilla acoplada al extremo en la rejilla. Generalmente son instalados en terrenos arenosos. Debido a sus limitaciones respecto de la profundidad solo sirven para áreas con napa freática somera.

Pozos de disolución:  Los pozos de disolución consiste de pozos excavados con agua a altas presiones. En áreas con arcillas densas, y capas parcialmente cementadas quizá sea necesario el uso de una broca que baje y suba por la tubería para cortar el hueco.

Perforación por percusión: También conocido como perforación de martillo  –   cable. El método consiste en elevar y dejar caer una carga pesada con una cuña en su extremo. Al impacto la roca se destroza, y junto con el agua es removida. En material noconsolidado, un encamisetado es introducido a unos metros de la superficie antes de la  perforación.

Perforación por percusión: Cuando se alcanza la profundidad requerida, una rejilla es introducida dentro del encamisetado y colocada mientras que se retira el encamisetado. El tope de la rejilla es sellado con un material expansivo (bentonita). En roca consolidada una práctica normal es sentar el encamisetado hasta el tope de la roca y  perforar hasta la profundidad necesaria que asegure el rendimiento especificado.

Método de rotación hidráulica: El método de rotación excava un agujero mediante la rotación de uno de los muchos tipos de cabezales. En el “método normal” se inyecta agua con arcilla (bentonita) dentro de la tubería de perforación. El agua sirve para refrigerar la broca y remover los detritos. En “el método reverso”, el fluido es circulado  por el espacio anular y subido por la tubería. La arcilla en el fluido se adhiere a las  paredes y previene la formación de cavernas. El método no está diseñado para poner un encamisetado permanente durante la  perforación. Cuando se alcanza la profundidad requerida, se “introduce” el

encamisetado junto con las rejillas. Este método es el más común para perforación de  pozos de alto rendimiento. Cuando los acuíferos consisten de capas de arena y arcilla se emplea un filtro de grava alrededor de la rejilla. La combinación del filtro y la rejilla tienen distintos objetivos relacionados con la producción y calidad del agua a ser explotada.

Método de rotación neumática: Es similar al método de rotación hidráulica. Solo es recomendable para la perforación de sedimentos consolidados. Dependiendo del estrato (roca no consolidada) puede intercalarse con rotación hidráulica. Este método es el más indicado para la construcción

Desarrollo de Pozos Cuando se termina la fase de construcción es necesario desarrollar el pozo. El desarrollo tiene el objetivo remover la arcilla, limo y arena fina del área cercana a la rejilla. De esta manera mejora la calidad del agua a extraer. El método más fácil de desarrollo es el bombeo de agua. En caso de obstrucciones se puede inyectar agua a grandes presiones, es especial en pozos perforados con circulación hidráulica. También se pueden usar químicos que dispersen la arcilla.

Fuentes: 

Best Management Practices: Water Wells (Ontario Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs/Agriculture and Agri-Food Canada)



http://www.envirocoregr.com



Water Manual for Refugee Situations



FAO IRRIGATION AND DRAINAGE PAPER



Lone Star Mechanical Drills



Fraste Drilling Rigs



Hansin International Pty, Co. Korea



Basic Ground –  Water Hydrology –  USGS



 North Carolina Division of Water Resources (DWR) de pozos en roca fracturada.